DE102011081627A1 - Porous medium with increased hydrophobicity and method for producing the same - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein poröses Medium mit erhöhter Hydrophobizität und ein Verfahren zum Herstellen desselben bereit, wobei durch Bilden von Nano-Vorsprüngen mit einem großen Aspektverhältnis durch Durchführen eines Plasmaätzens auf der Oberfläche eines porösen Mediums mit einer Oberflächenrauigkeit im Mikrometerbereich eine Mikro-Nano-Doppelstruktur bereitgestellt wird und eine hydrophobe dünne Schicht auf der Oberfläche der Mikro-Nano-Doppelstruktur abgeschieden wird, so dass die Hydrophobizität wesentlich erhöht wird. Wenn dieses stark hydrophobe poröse Medium als Gasdiffusionsschicht in einer Brennstoffzelle verwendet wird, ist es möglich, das während der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle erzeugte Wasser effizient zu entfernen, so dass ein Fluten der Brennstoffzelle verhindert werden kann. Daneben ist es möglich, die Reaktionsgase, wie beispielsweise Wasserstoff und Luft (Sauerstoff) in ausreichendem Maße einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA) zuzuführen, so dass das Leistungsvermögen der Brennstoffzelle verbessert wird.The present invention provides a porous medium with increased hydrophobicity and a method of manufacturing the same, wherein by forming nano-projections having a large aspect ratio by performing plasma etching on the surface of a porous medium having a surface roughness in the micrometer range, a micro-nano double structure is provided and a hydrophobic thin layer is deposited on the surface of the micro-nano double structure, so that the hydrophobicity is significantly increased. When this highly hydrophobic porous medium is used as a gas diffusion layer in a fuel cell, it is possible to efficiently remove the water generated during the electrochemical reaction of the fuel cell, so that the fuel cell can be prevented from flooding. In addition, it is possible to supply the reaction gases such as hydrogen and air (oxygen) to a sufficient amount of a membrane electrode assembly (MEA) so that the performance of the fuel cell is improved.

Description

Hintergrundbackground

(a) Technisches Gebiet(a) Technical area

Die vorliegende Erfindung betrifft ein hydrophobes poröses Medium und ein Verfahren zum Herstellen desselben. Genauer gesagt betrifft sie ein stark hydrophobes poröses Medium und ein Verfahren zum Herstellen desselben.The present invention relates to a hydrophobic porous medium and a method for producing the same. More specifically, it relates to a highly hydrophobic porous medium and a method for producing the same.

(b) Stand der Technik(b) Prior art

Eine elektrochemische Reaktion in einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) zur Erzeugung von Elektrizität läuft wie folgt ab. Wasserstoff, der einer Anode („Oxidationselektrode”) in einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) der Brennstoffzelle zugeführt wird, wird in Wasserstoffionen (Protonen, H+) und Elektronen (e) zersetzt. Die Wasserstoffionen werden durch eine Polymerelektrolytmembran zu einer Kathode („Reduktionselektrode”) geführt, und die Elektronen werden über einen äußeren Stromkreis zu der Kathode geführt, so dass durch den Fluss der Elektronen Elektrizität erzeugt wird.An electrochemical reaction in a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) to generate electricity proceeds as follows. Hydrogen supplied to an anode ("oxidation electrode") in a membrane electrode assembly (MEA) of the fuel cell is decomposed into hydrogen ions (protons, H + ) and electrons (e - ). The hydrogen ions are passed through a polymer electrolyte membrane to a cathode ("reduction electrode"), and the electrons are passed through an external circuit to the cathode, so that electricity is generated by the flow of the electrons.

Des Weiteren reagieren an der Kathode die Sauerstoffmoleküle, die Protonen und die Elektronen miteinander, wobei sie Elektrizität und Wärme und gleichzeitig als Reaktionsnebenprodukt Wasser erzeugen.Further, at the cathode, the oxygen molecules, the protons and the electrons react with each other, generating electricity and heat and, at the same time, water as a reaction by-product.

Der Bereich, der die elektrochemische Leistung der Brennstoffzelle definiert, wird allgemein in drei Abschnitte unterteilt: (i) einen Abschnitt mit „Aktivierungsverlust” infolge des Verlusts der elektrochemischen Reaktionskinetik; (ii) einen Abschnitt mit „ohmsche Verlust” infolge des Kontaktwiderstands an den Grenzflächen zwischen den entsprechenden Bauteilen und einem Verlust der Ionenleitung in der Polymerelektrolytmembran; und (iii) einen Abschnitt mit „Massentransportverlust” oder „Konzentrationsverlust” infolge der Einschränkungen des Massentransports der Reaktionsgase [ R. O Hayre, S. Cha, W. Colella, F. B. Prinz, Fuel Cell Fundamentals, Kapitel 1, John Wiley & Sons, New York (2006) ].The range defining the electrochemical performance of the fuel cell is generally divided into three sections: (i) an "activation loss" section due to the loss of electrochemical reaction kinetics; (ii) an "ohmic loss" portion due to the contact resistance at the interfaces between the respective components and a loss of ion conduction in the polymer electrolyte membrane; and (iii) a section of "mass transport loss" or "loss of concentration" due to restrictions of mass transport of the reaction gases [ R. O Hayre, S. Cha, W. Colella, FB Prince, Fuel Cell Fundamentals, Chapter 1, John Wiley & Sons, New York (2006) ].

Wenn eine ausreichende Menge an während der elektrochemischen Reaktion erzeugtem Wasser vorhanden ist, dient dies vorzugsweise dazu, die Feuchte in der Polymerelektrolytmembran aufrecht zu erhalten. Wenn jedoch eine Überschussmenge an erzeugtem Wasser nicht in geeigneter Weise entfernt wird, tritt bei einer hohen Stromdichte ein „Fluten” (flooding) auf, wodurch verhindert wird, dass die Reaktionsgase wirksam zu der Brennstoffzelle geleitet werden und der Spannungsverlust zunimmt [ M. M. Saleh, T. Okajima, M. Hayase, F. Kitamura, T. Ohsaka, J. Power Sources, 167, 503 (2007) ].When there is a sufficient amount of water generated during the electrochemical reaction, this is preferably to maintain the moisture in the polymer electrolyte membrane. However, if an excess amount of generated water is not appropriately removed, "flooding" occurs at a high current density, thereby preventing the reaction gases from being effectively conducted to the fuel cell and increasing the voltage loss [ MM Saleh, T. Okajima, M. Hayase, F. Kitamura, T. Ohsaka, J. Power Sources, 167, 503 (2007) ].

Ein typischer poröses Medium, welches die Brennstoffzelle bildet, besteht aus einer Gasdiffusionsschicht (GDL), die eine Struktur aufweist, in der eine mikroporöse Schicht (MPL) und ein makroporöses Substrat oder eine makroporöse Unterschicht miteinander kombiniert sind.A typical porous medium constituting the fuel cell is a gas diffusion layer (GDL) having a structure in which a microporous layer (MPL) and a macroporous substrate or a macroporous sublayer are combined with each other.

Kommerziell erhältliche Gasdiffusionsschichten weisen eine Doppelschichtstruktur auf, die eine mikroporöse Schicht mit einer Porengröße von weniger als 1 Mikrometer, gemessen anhand der Eindringtiefe von Quecksilber, und ein makroporöses Substrat oder eine makroporöse Unterschicht mit einer Porengröße von 1 bis 300 Mikrometern aufweist [ X. L. Wang, H. M. Zhang, J. L. Zhang, H. F. Xu, Z. Q. Tian, J. Chen, H. X. Zhong, Y. M. Liang und B. L. Yi, Electrochimica Acta, 51, 4909 (2006) ].Commercially available gas diffusion layers have a bilayer structure comprising a microporous layer having a pore size of less than 1 micron, as measured by the penetration depth of mercury, and a macroporous substrate or macroporous sublayer having a pore size of 1 to 300 microns [ XL Wang, HM Zhang, JL Zhang, HF Xu, ZQ Tian, J. Chen, HX Zhong, YM Liang and BL Yi, Electrochimica Acta, 51, 4909 (2006) ].

Die Gasdiffusionsschicht wird an der Außenseite von Katalysatorschichten für die Anode und die Kathode angebracht, die auf die beiden Flächen der Polymerelektrolytmembran in der Brennstoffzelle aufgetragen sind. Die Gasdiffusionsschicht bewirkt eine Zufuhr der Reaktionsgase, wie beispielsweise Wasserstoff und Luft, ein Übertragen der durch die elektrochemische Reaktion erzeugten Elektronen und einen Austrag des durch die Reaktion erzeugten Wassers zur Minimierung der Flutungsgefahr der Brennstoffzelle [ L. Cindrella, A. M. Kannan, J. F. Lin, K. Saminathan, Y. Ho, C. W. Lin, J. Wertz, J. Power Sources, 194, 146 (200) ; X. L. Wang, H. M. Zhang, J. L. Zhang, H. F. Xu., Z. Q. Tian, J. Chen, H. X. Zhong, Y. M. Liang, B. L. Yi, Electrochim. Acta, 51, 4909 (2006) ].The gas diffusion layer is attached to the outside of catalyst layers for the anode and the cathode, which are applied to the two faces of the polymer electrolyte membrane in the fuel cell. The gas diffusion layer effects supply of the reaction gases such as hydrogen and air, transfer of the electrons generated by the electrochemical reaction, and discharge of the water generated by the reaction to minimize flooding hazard of the fuel cell. L. Cindrella, AM Kannan, JF Lin, K. Saminathan, Y. Ho, CW Lin, J. Wertz, J. Power Sources, 194, 146 (200) ; XL Wang, HM Zhang, JL Zhang, HF Xu., ZQ Tian, J. Chen, HX Zhong, YM Liang, BL Yi, Electrochim. Acta, 51, 4909 (2006) ].

Insbesondere um den Massentransport zu erhöhen und das hohe Leistungsvermögen der Zelle durch effizientes Entfernen des während der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle erzeugten Wassers aufrecht zu erhalten, ist es sehr wichtig, der mikroporösen Schicht und dem makroporösen Substrat Hydrophobizität zu verleihen, indem in geeigneter Weise ein hydrophobes Mittel, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), in diese eingebracht wird [ S. Park, J. -W. Lee, B. N. Popov, J. Power Sources, 177, 457 (2008) ; G. -G-Park, Y. -J. Sohn, T. -H. Yang, Y. -G. Yoon, W. -Y. Lee, C. -S. Kim, J. Power Sources, 131, 182 (2004) ].In particular, in order to increase mass transport and maintain the high performance of the cell by efficiently removing the water generated during the electrochemical reaction of the fuel cell, it is very important to impart hydrophobicity to the microporous layer and the macroporous substrate by suitably hydrophobic Means, such as Polytetrafluoroethylene (PTFE) is introduced into this [ S. Park, J. -W. Lee, BN Popov, J. Power Sources, 177, 457 (2008) ; G. -G Park, Y. -J. Son, T. -H. Yang, Y. -G. Yoon, W.-Y. Lee, C. -S. Kim, J. Power Sources, 131, 182 (2004) ].

Herkömmlicherweise wurde jedoch ein nasschemisches Verfahren zum Verleihen von Hydrophobizität verwendet, und daher ist der Herstellungsprozess selbst kompliziert und es ist schwierig, das hydrophobe Mittel, wie beispielsweise PTFE, gleichmäßig auf der Gasdiffusionsschicht zu verteilen.Conventionally, however, a wet chemical method of imparting hydrophobicity has been used, and therefore the manufacturing process itself is complicated and it is difficult to evenly distribute the hydrophobic agent such as PTFE on the gas diffusion layer.

Gemäß dem herkömmlichen Verfahren zum Herstellen der Gasdiffusionsschicht ist es zudem schwierig, einem porösen Medium, das bereits einer Imprägnierungsbehandlung unterzogen wurde, eine hohe Hydrophobizität oder eine Superhydrophobizität zu verleihen, die einem Kontaktwinkel (statischen konstanten Winkel) von 150° oder mehr entspricht.Moreover, according to the conventional method for producing the gas diffusion layer, it is difficult to impart high hydrophobicity or superhydrophobicity to a porous medium which has already been subjected to impregnation treatment, which corresponds to a contact angle (static constant angle) of 150 ° or more.

In herkömmlichen Untersuchungen wurden verschiedene Versuche unternommen, der Oberfläche des porösen Mediums Hydrophilie verleihen, indem verschiedene Plasmaverfahren, wie beispielsweise unter Einsatz von Sauerstoff, Stickstoff, Ammoniak, Silan (siH4), Organometallen, usw. verwendet wurden [D. R. Mekala, D. W. Stegink, M. M. David, J. W. Frisk, US 2005/0064275 A1 (2005); Koreanische Patentveröffentlichung Nr. 10-2006-0090668 (2006)], was sich jedoch von der Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den poröse Medium zu verleihen, eine hohe Hydrophobizität unterscheidet.In conventional studies, various attempts have been made to impart hydrophilicity to the surface of the porous medium by using various plasma techniques, such as using oxygen, nitrogen, ammonia, silane (siH 4 ), organometallics, etc. [DR Mekala, DW Stegink, MM David, JW Frisk, US 2005/0064275 A1 (2005); Korean Patent Publication No. 10-2006-0090668 (2006)], which differs from the object of the present invention to impart the porous medium, a high hydrophobicity.

Daneben wurden Versuche unternommen, während der Herstellung der Elektroden der MEA Oberflächenbehandlungstechniken unter Verwenden von Plasma einzusetzen [G. H. Nam, S. I. Han, Koreanische Patentveröffentlichung Nr. 10-2009-0055301 (200); M. G. Min, G. S. Chae, S. G. Kang, Koreanisches Patent Nr. 10-0839372 (2008); W. M. Lee, I. G. Goo, J. H. Sim, Koreanisches Patent Nr. 10-0681169 (2007); H. T. Kim, H. J. Kwon, Koreanisches Patent Nr. 10-0599799 (2006)], die jedoch einen Prozess zum Bilden einer einen Katalysator und ein Bindemittel enthaltenden Katalysatorschicht betreffen. Das heißt, dass diese Verfahren dazu dienen, eine hydrophile oder hydrophobe Oberfläche chemisch zu erzeugen, indem die Oberfläche der Katalysatorschicht unter Verwenden von Plasmatechniken modifiziert wird, wobei es mit diesen Verfahren nur beschränkt möglich ist, eine hohe Hydrophobizität auf der Oberfläche des porösen Mediums auszubilden.In addition, attempts have been made during the manufacture of the electrodes of the MEA to employ surface treatment techniques using plasma [GH Nam, SI Han, Korean Patent Publication No. 10-2009-0055301 (200); MG Min, GS Chae, SG Kang, Korean Patent No. 10-0839372 (2008); WM Lee, IG Goo, JH Sim, Korean Patent No. 10-0681169 (2007); HT Kim, HJ Kwon, Korean Patent No. 10-0599799 (2006)], but relate to a process for forming a catalyst layer containing a catalyst and a binder. That is, these methods serve to chemically generate a hydrophilic or hydrophobic surface by modifying the surface of the catalyst layer using plasma techniques, whereby it is limitedly possible with these methods to form high hydrophobicity on the surface of the porous medium ,

Die in diesem Abschnitt „Hintergrund” angegebenen Informationen dienen lediglich dazu, den Hintergrund der Erfindung verständlicher zu machen, und es können daher Informationen enthalten sein, die keinen Stand der Technik bilden, wie er einem Durchschnittsfachmann in diesem Land bereits bekannt ist.The information provided in this Background section is merely to help understand the background of the invention, and thus may include information that is not prior art, as is already known to one of ordinary skill in the art in this country.

Zusammenfassung der OffenbarungSummary of the Revelation

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Erhöhen der Hydrophobizität auf der Oberfläche eines porösen Mediums, welches effektiv in einer Brennstoffzelle eingesetzt werden kann, bereit.The present invention provides a method for increasing the hydrophobicity on the surface of a porous medium which can be effectively used in a fuel cell.

In einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein poröses Medium mit einer erhöhten Hydrophobizität bereit. Dieses poröse Medium weist eine Mikro-Nano-Doppelstruktur, in welcher auf der Oberfläche des porösen Mediums mit einer Oberflächenrauigkeit im Mikrometerbereich nanometergroße Vorsprünge (”protrusions”) oder kollabierte Poren gebildet sind, und eine hydrophobe dünne Schicht, die auf der Oberfläche der Mikro-Nano-Doppelstruktur abgeschieden ist, auf.In one aspect, the present invention provides a porous medium having increased hydrophobicity. This porous medium has a micro-nano-double structure in which nanometer-sized protrusions or collapsed pores are formed on the surface of the porous medium having a surface roughness in the micrometer range, and a hydrophobic thin layer formed on the surface of the micropores. Nano-double structure is deposited on.

In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines porösen Mediums mit einer erhöhten Hydrophobizität bereit. Dieses Verfahren beinhaltet das Bereitstellen eines porösen Mediums mit einer Oberflächenrauigkeit im Mikrometerbereich; das Bilden einer Mikro-Nano-Doppelstruktur auf der Oberfläche des porösen Mediums durch Erzeugen von nanometergroßen Vorsprüngen oder kollabierten Poren mittels Plasmaätzen; und das Abscheiden einer hydrophoben dünnen Schicht auf der Oberfläche der Mikro-Nano-Doppelstruktur.In a further aspect, the present invention provides a method of making a porous medium having increased hydrophobicity. This method involves providing a porous medium having a surface roughness in the micrometer range; forming a micro-nano-double structure on the surface of the porous medium by generating nanometer-sized protrusions or collapsed pores by plasma etching; and depositing a hydrophobic thin layer on the surface of the micro-nano-double structure.

Im Folgenden werden weitere Aspekte und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erläutert.In the following, further aspects and preferred embodiments of the invention are explained.

Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures

Die vorstehend angegebenen und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden ausführlich unter Bezugnahme auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen derselben, welche in den beigefügten Figuren veranschaulicht sind, beschrieben, wobei die nachfolgend angegebenen Figuren lediglich der Veranschaulichung dienen und die vorliegende Erfindung in keiner Weise einschränken sollen. In den Figuren gilt:The foregoing and other features of the present invention will now be described in detail with reference to certain exemplary embodiments thereof, which are illustrated in the accompanying drawings, which are given by way of illustration only and are not intended to limit the invention in any way. In the figures:

1 ist eine schematische Darstellung, die eine Mikro-Nano-Verbundstruktur gemäß der veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, die mittels Durchführung von Plasmaätzen auf einem porösen Medium gebildet wurde; 1 Fig. 12 is a schematic diagram showing a micro-nanocomposite structure according to the illustrative embodiment of the present invention formed by performing plasma etching on a porous medium;

2A bis 2D sind REM-Aufnahmen, die die Oberfläche einer mikroporösen Schicht einer Gasdiffusionsschicht vor und nach dem Sauerstoffplasmaätzen und nach „Sauerstoffplasmaätzen mittels Sauerstoff + Abscheidung einer hydrophoben dünnen Schicht” gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen; 2A to 2D FIG. 13 is an SEM photograph showing the surface of a microporous layer of a gas diffusion layer before and after oxygen plasma etching and "oxygen plasma etching by means of oxygen + deposition of a hydrophobic thin layer" according to an illustrative embodiment of the present invention;

3 ist ein Graph, der die Änderung des Kontaktwinkels von einem Tropfen auf der Oberfläche einer mikroporösen Schicht während eines Änderns der Dauer des Plasmaätzens mittels Sauerstoff zeigt; 3 Fig. 12 is a graph showing the change in the contact angle of one drop on the surface of a microporous layer while changing the duration of the plasma etching by means of oxygen;

4A und 4B sind REM-Aufnahmen, die die Oberfläche eines makroporösen Substrats vor und nach dem Plasmaätzen mittels Sauerstoff gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen; und 4A and 4B FIG. 13 is an SEM photograph showing the surface of a macroporous substrate before and after plasma etching by oxygen according to an illustrative embodiment of the present invention; FIG. and

5 ist ein Graph, der die Änderung des Kontaktwinkels von einem Tropfen auf der Oberfläche eines makroporösen Substrats während eines Änderns der Dauer des Plasmaätzens mittels Sauerstoff zeigt. 5 FIG. 12 is a graph showing the change in the contact angle of a droplet on the surface of a macroporous substrate while changing the duration of plasma etching by means of oxygen. FIG.

Es soll verstanden werden, dass die beigefügten Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind, sondern eine etwas vereinfachte Abbildung verschiedener bevorzugter Merkmale darstellen, welche die Grundprinzipien der Erfindung veranschaulichen. Konkrete Merkmale der Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin offenbart sind, einschließlich zum Beispiel bestimmter Abmessungen, Ausrichtungen, Positionen und Formen, werden zum Teil durch die Bedingungen der jeweils angestrebten Anwendung und Verwendung bestimmt.It should be understood that the appended drawings are not necessarily to scale, presenting a somewhat simplified illustration of various preferred features illustrative of the basic principles of the invention. Concrete features of the embodiment of the present invention as disclosed herein, including, for example, particular dimensions, orientations, locations, and shapes, will be determined in part by the particulars of intended use and use.

In den Figuren bezeichnen die Bezugszeichen in allen Figuren der Zeichnung gleiche oder äquivalente Teile der vorliegenden Erfindung.In the figures, the reference numerals in all figures of the drawing indicate the same or equivalent parts of the present invention.

Ausführliche BeschreibungDetailed description

Nachfolgend wird nun ausführlich auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, die beispielhaft in den beigefügten Figuren veranschaulicht und im Folgenden beschrieben ist. Obwohl die Erfindung zusammen mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben ist, soll verstanden werden, dass die vorliegende Beschreibung die Erfindung keinesfalls auf diese beispielhaften Ausführungsformen einschränken soll. Vielmehr soll die Erfindung nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und weitere Ausführungsformen abdecken, die im eigentlichen Sinn und Umfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, enthalten sind.Reference will now be made in detail to various embodiments of the present invention, which is illustrated by way of example in the accompanying drawings and described below. While the invention is described in conjunction with exemplary embodiments, it is to be understood that the present description is not intended to limit the invention to these exemplary embodiments. Rather, the invention is intended to cover not only the exemplary embodiments, but also various alternatives, modifications, equivalents, and other embodiments included within the true spirit and scope of the invention as defined in the appended claims.

Es soll verstanden werden, dass der Begriff „Fahrzeug” oder „Fahrzeug-„ oder jeder andere ähnliche Begriff, wie er hierin verwendet wird, Kraftfahrzeuge allgemein einschließt, beispielsweise Personenkraftwagen, einschließlich Geländewagen (sports utility vehicle, SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielzahl an Booten und Schiffen, Flugzeuge und dergleichen, sowie Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in Hybrid-Elektrofahrzeuge, mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge und Fahrzeuge, die mit anderen alternativen Brennstoffen betrieben werden (z. B. Brennstoffen, die aus anderen Quellen als Erdöl stammen) umfasst. Wie hierin verwendet, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das auf zwei oder mehr Arten betrieben werden kann, zum Beispiel ein Fahrzeug, das sowohl mit Benzin als auch mit Strom betrieben werden kann.It should be understood that the term "vehicle" or "vehicle" or any other similar term as used herein includes motor vehicles generally, such as passenger cars, including SUVs, buses, trucks, various Commercial vehicles, watercraft, including a variety of boats and ships, aircraft and the like, as well as hybrid vehicles, electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles, hydrogen-fueled vehicles, and vehicles operated with other alternative fuels (e.g., fuels that come from sources other than petroleum). As used herein, a hybrid vehicle is a vehicle that can be operated in two or more ways, for example, a vehicle that can run on both gasoline and electricity.

Die vorstehend angegebenen und weitere Merkmale der Erfindung werden nachfolgend erörtert.The foregoing and other features of the invention are discussed below.

Die vorliegende Erfindung stellt ein poröses Medium (PM), das in einer Brennstoffzelle verwendet wird, und ein Verfahren zum Herstellen derselben bereit, wobei das poröse Medium eine Oberfläche mit einer erhöhten Hydrophobizität aufweist.The present invention provides a porous medium (PM) used in a fuel cell and a method for producing the same, the porous medium having a surface having an increased hydrophobicity.

Insbesondere weist das stark hydrophobe poröse Medium vorliegenden Erfindung eine Oberfläche mit einer Mikro-Nano-Doppelstruktur auf, bei der auf der Oberfläche des porösen Mediums mit einer Oberflächenrauigkeit im Mikrometerbereich (ein makroporöses Substrat, welches später beschrieben wird, weist eine Oberflächenrauigkeit im Mikrometerbereich auf) nanometergroße Vorsprünge oder Nano-Vorsprünge (”nanoprotrusions”) oder kollabierte Nanoporen erzeugt wurden und gleichzeitig eine hydrophobe dünne Schicht auf der Oberfläche der Mikro-Nano-Doppelstruktur abgeschieden wurde, wodurch die Hydrophobizität infolge der Mikro-Nano-Doppelstruktur und der hydrophoben dünnen Schicht erhöht wird.In particular, the highly hydrophobic porous medium of the present invention has a surface having a micro-nano-double structure in which a surface roughness on the surface of the porous medium having a surface roughness in the micrometer range (a macroporous substrate which will be described later has a surface roughness in the micrometer range) nanometer-sized protrusions or nano-protrusions ("nanoprotrusions") or collapsed nanopores have been generated while forming a hydrophobic thin layer the surface of the micro-nano-double structure was deposited, whereby the hydrophobicity due to the micro-nano-double structure and the hydrophobic thin layer is increased.

Im Folgenden stellt die Mikro-Nano-Doppelstruktur eine Verbundstruktur dar, die Mikrostrukturen und Nanostrukturen aufweist, in denen mit Hilfe einer Plasmaätzbehandlung künstlich nanometergroße Vorsprünge oder kollabierte Nanoporen auf der Oberfläche des porösen Mediums mit einer intrinsischen Rauigkeit im Mikrometerbereich erzeugt wurden.In the following, the micro-nano-double structure represents a composite structure having microstructures and nanostructures in which artificially nanometer-sized protrusions or collapsed nanopores were formed on the surface of the porous medium having an intrinsic roughness in the micrometer range by means of a plasma etching treatment.

Da das makroporöse Substrat eine Oberflächenrauigkeit im Mikrometerbereich aufweist, bilden die mikrometergroßen Vorsprünge oder kollabierten Poren auf der Oberfläche desselben zusammen mit den künstlich erzeugten Nano-Vorsprüngen oder Nanoporen die Mikro-Nano-Doppelstruktur.Since the macroporous substrate has a surface roughness in the micrometer range, the micrometer-sized protrusions or collapsed pores on the surface thereof together with the artificially generated nanoprints or nanopores form the micro-nano-double structure.

Daneben weisen auch die Kohlenstoffteilchen der mikroporösen Schicht eine feine Oberflächenrauigkeit auf, so dass, wenn Nano-Vorsprünge oder Nanoporen auf der mikroporösen Schicht mittels einer Plasmaätzbehandlung erzeugt werden, die durch die Plasmaätzbehandlung erzeugten Nanostrukturen zusammen mit den Kohlenstoffteilchen eine Doppelstruktur auf der mikroporösen Schicht bilden.Besides, the carbon particles of the microporous layer also have a fine surface roughness, so that when nano-protrusions or nanopores are formed on the microporous layer by means of a plasma etching treatment, the nanostructures produced by the plasma etching treatment form a double structure on the microporous layer together with the carbon particles.

Die Oberflächenrauigkeit ist durch die auf der Oberfläche des Materials gebildeten Nano-Vorsprünge oder kollabierten Nanoporen für das poröse Medium vorgegeben (entsprechend den Kohlenstoffteilchen der mikroporösen Schicht oder den Kohlenstofffasern des makroporösen Substrats).The surface roughness is predetermined by the nano-protrusions or collapsed nanopores formed on the surface of the material for the porous medium (corresponding to the carbon particles of the microporous layer or the carbon fibers of the macroporous substrate).

Als Folge davon weist das stark hydrophobe poröse Medium mit der Mikro-Nano-Doppelstruktur der vorliegenden Erfindung die Merkmale auf, dass die Benetzbarkeit auf beiden (Außen-)Oberflächen wesentlich geringer ist als diejenige herkömmlicher poröser Medien, und dass der Kontaktwinkel (d. h. der statische Kontaktwinkel) eines Fluids, wie beispielsweise von reinem Wasser, auf der Oberfläche des porösen Mediums 150° oder mehr beträgt, was nachstehend ausführlich beschrieben ist.As a result, the highly hydrophobic porous medium having the micro-nano-double structure of the present invention has the characteristics that the wettability on both (outer) surfaces is substantially lower than that of conventional porous media, and that the contact angle (ie, the static Contact angle) of a fluid such as pure water on the surface of the porous medium is 150 ° or more, which will be described in detail below.

Um die Einschränkungen beim Erreichen einer hohen Hydrophobizität bei einem herkömmlichen Verfahren zum Herstellen des porösen Mediums zu überwinden, wird der Oberfläche des porösen Mediums, wie beispielsweise der Gasdiffusionsschicht (d. h. der Oberfläche der mikroporösen Schicht und der Oberfläche des makroporösen Substrats) hohe Hydrophobizität sowohl durch strukturelle als auch durch chemische Modifikationen während des Herstellungsprozesses der vorliegenden Erfindung verliehen, wobei ein Verfahren zum Optimieren der Nanostrukturen mit einem großen Aspektverhältnis auf der Oberfläche des porösen Mediums, ein Verfahren zum strukturellen Modifizieren der Oberfläche mit einer Mikro-Nano-Doppelrauigkeitsstruktur und ein Verfahren einer chemischen Modifikation zum Bilden einer chemisch-hydrophoben Oberfläche durch Abscheiden einer hydrophoben dünnen Schicht in Kombination durchgeführt werden.In order to overcome the limitations of achieving high hydrophobicity in a conventional method of producing the porous medium, the surface of the porous medium such as the gas diffusion layer (ie, the surface of the microporous layer and the surface of the macroporous substrate) becomes high in both hydrophobicity and structural properties as well as by chemical modifications during the manufacturing process of the present invention, wherein a method of optimizing the nanostructures with a high aspect ratio on the surface of the porous medium, a method of structurally modifying the surface with a micro-nano-double roughness structure and a method of chemical Modification for forming a chemical-hydrophobic surface by depositing a hydrophobic thin layer in combination can be performed.

In Versuchen wurde festgestellt, dass, wenn das poröse Medium mit trockenem Plasma behandelt wird (d. h. eine Plasmaätzbehandlung durchgeführt wird), (durch die Plasmaätzbehandlung) Nano-Vorsprünge oder Nanoporen gebildet und mit der Oberfläche des porösen Mediums mit einer Oberflächenrauigkeit im Mikrometerbereich unter Bilden einer Mikro-Nano-Doppelstruktur kombiniert werden, und, wenn eine hydrophobe dünne Schicht aus Kohlenstoff auf der Oberfläche der Mikro-Nano-Doppelstruktur, beispielsweise mittels Plasmaabscheidung, gebildet wird, die Hydrophobizität des porösen Mediums wesentlich erhöht werden kann. Das auf diese Weise gebildete poröse Medium mit erhöhter Hydrophobizität kann effektiv als Gasdiffusionsschicht einer Brennstoffzelle verwendet werden und in effizienter Weise zum Entfernen des während der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle erzeugten Wassers eingesetzt werden.In experiments, it was found that when the porous medium is treated with dry plasma (ie, plasma etching treatment is performed), nano-protrusions or nanopores are formed (by the plasma etching treatment) and the surface of the porous medium having a surface roughness in the micrometer range is formed Micro-nano-double structure can be combined, and if a hydrophobic thin layer of carbon on the surface of the micro-nano-double structure, for example by means of plasma deposition, is formed, the hydrophobicity of the porous medium can be substantially increased. The thus-formed porous medium having enhanced hydrophobicity can be effectively used as a gas diffusion layer of a fuel cell and used efficiently for removing the water generated during the electrochemical reaction of the fuel cell.

Während des Verfahrens zum Modifizieren der Oberfläche des porösen Mediums mittels Plasmabehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Nanostrukturen durch Ätzen der Oberfläche des porösen Mediums unter Verwenden von beispielsweise Argon-(Ar-) oder Sauerstoffplasma gebildet, um eine Struktur bereitzustellen, die die Kontaktfläche mit einem Fluid, wie beispielsweise Wasser, minimieren kann, und die hydrophobe dünne Schicht (z. B. eine hydrophobe dünne Schicht aus Kohlenstoff) wird auf der Oberfläche der resultierenden Struktur abgeschieden. In diesem Fall ist es möglich, eine hohe Hydrophobizität oder eine Superhydrophobizität zu verleihen, die einem Kontaktwinkel von 150° oder mehr, bezogen auf ein Fluid, wie beispielsweise reinem Wasser, entspricht. Das heißt, dass bei der Behandlung mit trockenem Plasma strukturelle und chemische Modifikationen auf der Oberfläche des porösen Mediums möglich sind, und dass es daher möglich ist, in einfacher Weise eine hohe Hydrophobizität zu verleihen, die für eine Brennstoffzelle geeignet ist.During the method of modifying the surface of the porous medium by plasma treatment according to the present invention, the nanostructures are formed by etching the surface of the porous medium using, for example, argon (Ar) or oxygen plasma, to provide a structure having the contact surface with one Fluid, such as water, and the hydrophobic thin layer (eg, a hydrophobic thin layer of carbon) is deposited on the surface of the resulting structure. In this case, it is possible to impart high hydrophobicity or superhydrophobicity corresponding to a contact angle of 150 ° or more with respect to a fluid such as pure water. That is, in the treatment with dry plasma, structural and chemical modifications on the surface of the porous medium are possible, and therefore it is possible to easily impart high hydrophobicity suitable for a fuel cell.

Ein besseres Verständnis einer erhöhten Hydrophobizität auf der Oberfläche des porösen Mediums kann erzielt werden, indem die Mechanismen einer hohen Hydrophobizität oder einer Superhydrophobizität auf einer festen Oberfläche verstanden werden, was im Folgenden beschrieben ist. A better understanding of increased hydrophobicity on the surface of the porous medium can be achieved by understanding the mechanisms of high hydrophobicity or superhydrophobicity on a solid surface, which is described below.

Die Hydrophobizität einer festen Oberfläche hängt von den chemischen Eigenschaften der festen Oberfläche ab, aber wenn ein feines Muster auf der festen Oberfläche gebildet ist, nimmt die Hydrophobizität erheblich zu, so dass die feste Oberfläche eine Superhydrophobizität erhält. Zum Beispiel ist der Kontaktwinkel der Oberfläche mit einer feinen Struktur mit Vorsprüngen oder Poren, bezogen auf Wasser, mit Werten in einem Bereich von 150° bis 170° relativ groß, so dass im Vergleich zu einer flachen Oberfläche, die der gleichen chemischen Behandlung unterzogen wurde, eine Superhydrophobizität verliehen wird.The hydrophobicity of a solid surface depends on the chemical properties of the solid surface, but when a fine pattern is formed on the solid surface, the hydrophobicity increases significantly, so that the solid surface obtains superhydrophobicity. For example, the contact angle of the surface having a fine structure with protrusions or pores with respect to water having values in a range of 150 ° to 170 ° is relatively large, so that compared to a flat surface which has undergone the same chemical treatment , a super hydrophobicity is imparted.

Gleichzeitig kann eine Oberfläche mit einer Struktur mit Vorsprüngen oder Poren eine selbstreinigende Funktion aufweisen, welche ermöglicht, dass ein Tropfen auf der festen Oberfläche unter Bedingungen, in denen die Hysterese des Kontaktwinkels auf weniger als 10° verringert ist, leicht entfernt werden kann. Um eine stark hydrophobe oder superhydrophobe Oberfläche zu erzeugen, sollte daher eine Oberflächenschicht mit niedriger Oberflächenenergie gebildet werden und gleichzeitig sollte die Oberflächenschicht eine physikalische/strukturelle Oberflächenrauigkeit aufweisen.At the same time, a surface having a structure with protrusions or pores may have a self-cleaning function that allows a drop to be easily removed on the solid surface under conditions in which the hysteresis of the contact angle is reduced to less than 10 °. Therefore, in order to produce a highly hydrophobic or superhydrophobic surface, a low surface energy surface layer should be formed, and at the same time, the surface layer should have a physical / structural surface roughness.

Bezüglich der Oberflächenrauigkeit spielt die Größenverteilung der feinen Vorsprünge oder Poren eine sehr wichtige Rolle, und eine Oberflächenrauigkeit, die kollabierte Poren aufweist, zeigt auch die gleichen Eigenschaften wie eine Oberflächenrauigkeit, die feine Vorsprünge aufweist. Insbesondere können, wenn die chemische Zusammensetzung der Oberfläche gesteuert wird und gleichzeitig nanometergroße Poren und mikrometergroße Poren gemeinsam vorhanden sind, eine hydrophobe Oberfläche und weiter eine superhydrophobe Oberfläche erzielt werden. In der vorliegenden Erfindung wird die angestrebte hohe Hydrophobizität daher durch Ausführen eines Mechanismus zum Erhöhen der Hydrophobizität erreicht, wobei diese erhalten werden kann, wenn die vorstehend beschriebene Struktur und die chemischen Eigenschaften auf der Oberfläche des porösen Mediums miteinander kombiniert werden.Regarding the surface roughness, the size distribution of the fine protrusions or pores plays a very important role, and a surface roughness having collapsed pores also exhibits the same properties as a surface roughness having fine protrusions. In particular, when the chemical composition of the surface is controlled and at the same time nanometer-sized pores and micrometer-sized pores are coexistent, a hydrophobic surface and further a superhydrophobic surface can be achieved. Therefore, in the present invention, the intended high hydrophobicity is achieved by carrying out a hydrophobicity enhancing mechanism, which can be obtained by combining the above-described structure and the chemical properties on the surface of the porous medium.

Das heißt, dass die stark hydrophobe Oberfläche durch Bilden eines Nanomusters mittels Plasmaätzen und durch Bilden einer hydrophoben dünnen Schicht mittels Plasmaabscheidung auf den Oberflächen der mikroporösen Schicht und des makroporösen Substrats, welche das poröse Medium, wie beispielsweise die Gasdiffusionsschicht einer Brennstoffzelle, bilden, erreicht werden. Des Weiteren ist es möglich, der Oberfläche des porösem Mediums eine hohe Hydrophobizität zu verleihen, indem die der Oberflächeneigenschaften des porösen Mediums gleichzeitig strukturell und chemisch gesteuert werden.That is, the highly hydrophobic surface is achieved by forming a nanopattern by plasma etching and forming a hydrophobic thin film by plasma deposition on the surfaces of the microporous layer and the macroporous substrate constituting the porous medium such as the gas diffusion layer of a fuel cell , Furthermore, it is possible to impart high hydrophobicity to the surface of the porous medium by simultaneously structurally and chemically controlling the surface properties of the porous medium.

Als nächstes wird die vorliegende Erfindung ausführlicher unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. 1 ist eine schematische Darstellung, die eine Mikro-Nano-Verbundstruktur zeigt, die durch Durchführen eines Plasmaätzens auf einem porösen Medium gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wurde. Das heißt, dass 1 schematisch eine mikroporöse Schicht und ein makroporöses Substrat zeigt, welche die Gasdiffusionsschicht als typisches Beispiel für ein poröses Medium in einer Brennstoffzelle bilden, und ferner ein Verfahren zur Modifikation der Oberfläche des porösen Mediums gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.Next, the present invention will be described in more detail with reference to the figures. 1 Fig. 12 is a schematic diagram showing a micro-nanocomposite structure formed by performing plasma etching on a porous medium according to the present invention. It means that 1 schematically shows a microporous layer and a macroporous substrate, which form the gas diffusion layer as a typical example of a porous medium in a fuel cell, and further shows a method of modifying the surface of the porous medium according to the present invention.

Das stark hydrophobe poröse Medium der vorliegenden Erfindung weist Nanostrukturen mit einem hohen Aspektverhältnis und eine hydrophobe dünne Schicht auf, die entsprechend auf der Oberfläche der mikroporösen Schicht und der Oberfläche des makroporösen Substrats vorgesehen sind.The highly hydrophobic porous medium of the present invention has high aspect ratio nanostructures and a hydrophobic thin layer respectively provided on the surface of the microporous layer and the surface of the macroporous substrate.

Wie in 1 gezeigt ist, wird die Plasmaätzbehandlung für die Mikro-Nano-Doppelstruktur entsprechend auf der Oberfläche der mikroporösen Schicht und auf der Oberfläche des makroporösen Substrats durchgeführt, um Nanostrukturen mit einem großen Aspektverhältnis zubilden, und eine hydrophobe dünne Schicht wird mittels Plasmaabscheidung auf der Mikro-Nano-Doppelstruktur gebildet, wodurch ein poröses Medium mit einer stark hydrophoben Oberfläche erzeugt wird.As in 1 5, the plasma etching treatment for the micro-nano-double structure is carried out respectively on the surface of the microporous layer and on the surface of the macroporous substrate to form nanostructures having a high aspect ratio, and a hydrophobic thin layer is formed on the micro-nano via plasma deposition Formed double structure, whereby a porous medium is produced with a highly hydrophobic surface.

Die mikroporöse Schicht und das makroporöse Substrat, die die Gasdiffusionsschicht als poröses Medium in der Brennstoffzelle bilden, bestehen aus den folgenden Materialien.The microporous layer and the macroporous substrate, which form the gas diffusion layer as a porous medium in the fuel cell, are made of the following materials.

Üblicherweise kann die mikroporöse Schicht gebildet werden, indem eine Mischung aus Rußpulver, wie beispielsweise Acetylenruß, Perlruß usw., und einem hydrophoben Mittel, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE) oder fluoriertem Ethylenpropylen (FEP), zubereitet wird und die Mischung auf eine oder beide Seiten der makroporösen Schicht aufgetragen wird. Das makroporöse Substrat besteht im Allgemeinen aus Kohlenstofffasern und einem hydrophoben Mittel, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen oder fluoriertem Ethylenpropylen [ C. Lim und C. Y. Wang, Electrochim. Acta 49, 4149 (2004) ], und kann je nach der physikalischen Struktur weitestgehend in einen Filz aus Kohlenstofffasern, Papier aus Kohlenstofffasern und ein Tuch aus Kohlenstofffasern eingeteilt werden [ S. Escribano, J. Blachot, J. Etheve, A. Morin, R. Mosdale, J. Power Sources, 156, 8 (2006) ; M. F. Mathias, J. Roth, J. Fleming und W. Lehnert, Handbook of Fuel Cells-Fundamentals, Technology and Applications, Band 3, Kapitel 42, John Wiley & Sons (2003) ].Usually, the microporous layer may be formed by preparing a mixture of carbon black powder such as acetylene black, pearl black, etc., and a hydrophobic agent such as polytetrafluoroethylene (PTFE) or fluorinated ethylene propylene (FEP) and the mixture on one or both sides the macroporous layer is applied. The macroporous substrate is generally composed of carbon fibers and a hydrophobic agent such as polytetrafluoroethylene or fluorinated ethylene propylene C. Lim and CY Wang, Electrochim. Acta 49, 4149 (2004) ], and depending on the physical structure, can be largely classified into a felt of carbon fibers, paper of carbon fibers and a cloth of carbon fibers [ S. Escribano, J. Blachot, J. Etheve, A. Morin, R. Mosdale, J. Power Sources, 156, 8 (2006) ; MF Mathias, J. Roth, J. Fleming, and W. Lehnert, Handbook of Fuel Cells Fundamentals, Technology and Applications, Volume 3, Chapter 42, John Wiley & Sons (2003) ].

In der vorliegenden Erfindung wird das Plasmaätzen auf jeder Oberfläche des porösen Mediums mit der vorstehend beschriebenen Struktur, in der die mikroporöse Schicht und das makroporöse Substrat aufeinander gestapelt sind (1) durchgeführt, wobei ein Muster aus Nano-Vorsprüngen oder Nanoporen auf der Oberfläche der Kohlenstoffmaterialien (wie beispielsweise Kohlenstoffteilchen und Kohlenstofffasern), die die Oberflächen der mikroporösen Schicht und des makroporösen Substrats (d. h., die Oberfläche des porösen Mediums) bilden, gebildet wird.In the present invention, the plasma etching is performed on each surface of the porous medium having the above-described structure in which the microporous layer and the macroporous substrate are stacked on each other ( 1 ), wherein a pattern of nano-protrusions or nano-pores is formed on the surface of the carbon materials (such as carbon particles and carbon fibers) forming the surfaces of the microporous layer and the macroporous substrate (ie, the surface of the porous medium).

In einer veranschaulichenden Ausführungsform kann durch das Plasmaätzen vorzugsweise ein Muster aus Nano-Vorsprüngen oder Nanoporen mit einer Breite von 1 bis 100 Nanometern, einer Länge von 1 bis 1.000 Nanometern und einem Aspektverhältnis von 1 bis 10 auf der Oberfläche der Kohlenstoffmaterialien auf den Oberflächen der mikroporösen Schicht und des makroporösen Substrats gebildet werden. Wenn das Aspektverhältnis kleiner als 1 ist, kann die Wirkung der Oberflächenrauigkeit nicht vollständig erzielt werden, wohingegen, wenn das Aspektverhältnis größer als 10 ist, die Struktur des Nanomusters nicht stabil beibehalten wird.In an illustrative embodiment, preferably by plasma etching, a pattern of nano-protrusions or nano-pores having a width of 1 to 100 nanometers, a length of 1 to 1000 nanometers and an aspect ratio of 1 to 10 on the surface of the carbon materials on the surfaces of the microporous Layer and the macroporous substrate are formed. When the aspect ratio is smaller than 1, the effect of surface roughness can not be fully achieved, whereas when the aspect ratio is larger than 10, the structure of the nanopattern is not stably maintained.

In der mikroporösen Schicht bilden die Kohlenstoffteilchen, welche nicht gleichmäßig groß sind, Aggregate und sind daher in einem Bereich von mehreren Zehn Nanometern bis mehreren Mikrometern vorhanden. Wenn die Plasmaätzbehandlung an der mikroporösen Schicht durchgeführt wird, werden die Oberflächen der kugelförmigen Kohlenstoffteilchen geätzt, wodurch scharfkantige Kohlenstoffteilchen gebildet werden, die eine Breite von mehreren Nanometern aufweisen, und die hydrophobe dünne Schicht wird auf der Oberfläche der resultierenden mikroporösen Schicht abgeschieden.In the microporous layer, the carbon particles, which are not uniform in size, form aggregates and are therefore present in a range of several tens of nanometers to several micrometers. When the plasma etching treatment is performed on the microporous layer, the surfaces of the spherical carbon particles are etched, thereby forming sharp-edged carbon particles having a width of several nanometers, and the hydrophobic thin layer is deposited on the surface of the resulting microporous layer.

Daneben wird bevorzugt, mittels Plasmaätzen Nano-Vorsprünge oder Nanoporen mit einer Breite von 10 bis 30 Nanometern, einer Länge von 10 bis 200 Nanometern und einem Aspektverhältnis von 1 bis 7 auf der Oberfläche von Kohlenstofffasern des makroporösen Substrats mit einem Durchmesser von 5 bis 20 Mikrometern auszubilden. Diese Nano-Vorsprünge bilden ein Nanomuster mit einem großen Aspektverhältnis, wodurch die Mikro-Nano-Doppelstruktur bereitgestellt wird. Des Weiteren weist die Oberfläche mit der Mikro-Nano-Doppelstruktur superhydrophobe und selbstreinigende Eigenschaften auf.Besides, by plasma etching, nano-protrusions or nanopores having a width of 10 to 30 nanometers, a length of 10 to 200 nanometers and an aspect ratio of 1 to 7 are preferable on the surface of carbon fibers of the macroporous substrate having a diameter of 5 to 20 microns train. These nano-protrusions form a nano-pattern with a high aspect ratio, thereby providing the micro-nano-double structure. Furthermore, the surface with the micro-nano-double structure has superhydrophobic and self-cleaning properties.

Die hydrophobe dünne Schicht zum Erhöhen der Hydrophobizität kann eine dünne Kohlenwasserstoffschicht, die Silizium (Si) und Sauerstoff enthält, oder eine dünne Kohlenwasserstoffschicht, die Fluor (F) enthält, sein, und die hydrophobe dünne Schicht kann eine Dicke in einem Bereich von 0,1 bis 90 Nanometern aufweisen. Wenn die Dicke der hydrophoben dünnen Schicht weniger als 0,1 Nanometer beträgt, kann der Effekt des Erhöhens der Hydrophobizität des porösen Mediums nicht erhalten werden, wohingegen, wenn die Dicke mehr als 90 Nanometer beträgt, der elektrische Widerstand erheblich zunehmen kann, wenn das poröse Medium als Gasdiffusionsschicht verwendet wird. Es wird daher bevorzugt, dass die hydrophobe dünne Schicht eine Dicke in einem Bereich von 0,1 bis 90 Nanometern aufweist.The hydrophobic thin layer for increasing the hydrophobicity may be a thin hydrocarbon layer containing silicon (Si) and oxygen, or a hydrocarbon thin layer containing fluorine (F), and the hydrophobic thin layer may have a thickness in a range of 0. 1 to 90 nanometers. If the thickness of the hydrophobic thin layer is less than 0.1 nanometer, the effect of increasing the hydrophobicity of the porous medium can not be obtained, whereas if the thickness is more than 90 nanometers, the electrical resistance may increase considerably if the porous one Medium is used as a gas diffusion layer. It is therefore preferred that the hydrophobic thin layer has a thickness in a range of 0.1 to 90 nanometers.

Insbesondere zur Verwendung des porösen Mediums als Gasdiffusionsschicht einer Brennstoffzelle ist es notwendig, die Dicke der hydrophoben dünnen Schicht in geeigneter Weise anzupassen, so dass die Poren nicht verstopft werden, ohne dabei den ursprünglichen elektrischen Widerstand der Gasdiffusionsschicht zu erhöhen.In particular, for using the porous medium as a gas diffusion layer of a fuel cell, it is necessary to suitably adjust the thickness of the hydrophobic thin layer so that the pores are not clogged without increasing the initial electric resistance of the gas diffusion layer.

Das Silizium und Sauerstoff enthaltende Kohlenwasserstoffmaterial kann unter Verwenden von Hexamethyldisiloxan (HMDSO) als Precursor abgeschieden werden, und die Hydrophobizität kann durch geeignetes Mischen von Hexamethyldisiloxan und Argongas (nicht mehr als 30% Volumenanteil) gesteuert werden.The silicon and oxygen-containing hydrocarbon material can be precipitated using hexamethyldisiloxane (HMDSO) as a precursor, and the hydrophobicity can be controlled by properly mixing hexamethyldisiloxane and argon gas (not more than 30% by volume).

Der Kontaktwinkel auf den Oberflächen der mikroporösen Schicht und des makroporösen Substrats im porösen Medium, dessen Hydrophobizität mit der vorstehend beschriebenen Plasmabehandlung (zur Ausbildung der Nanostrukturen mittels Plasmaätzen und zur Ausbildung der hydrophoben dünnen Schicht mittels Plasmaabscheidung) erhöht wird, beträgt 150° oder mehr. Da das nanometergroße Muster und das mikrometergroße Muster mit dem PTFE als hydrophobes Polymer auf den Oberflächen der mikroporösen Schicht und des makroporösen Substrats, die das poröse Medium bilden, gemischt werden, beträgt der Kontaktwinkel etwa 135 bis 145°.The contact angle on the surfaces of the microporous layer and the macroporous substrate in the porous medium, the hydrophobicity of which is increased by the plasma treatment described above (to form the nanostructures by plasma etching and to form the hydrophobic thin layer by plasma deposition) is 150 ° or more. Since the nanometer-sized pattern and the micrometer-sized pattern are mixed with the PTFE as the hydrophobic polymer on the surfaces of the microporous layer and the macroporous substrate constituting the porous medium, the contact angle is about 135 to 145 °.

In dem porösen Medium der vorliegenden Erfindung ist die Größe des Nanomusters mit einem großen Aspektverhältnis, das durch Plasmaätzen gebildet wird, erheblich kleiner als dasjenige der vorstehend beschriebenen herkömmlichen Oberfläche, und die Oberflächenrauigkeit ist viel größer als diejenige der herkömmlichen Oberfläche. Das poröse Medium der vorliegenden Erfindung kann daher einen Kontaktwinkel (d. h. statischen Kontaktwinkel) von 150° oder mehr aufweisen und infolge der Mikro-Nano-Doppelstruktur stark hydrophobe Oberflächeneigenschaften besitzen. Insbesondere kann selbst eine Oberfläche, die kein PTFE enthält, eine hohe Hydrophobizität aufweisen, was einem Kontaktwinkel von 150° oder mehr entspricht. Daneben wird die hydrophobe dünne Schicht gleichmäßig auf der Oberfläche abgeschieden, so dass die Oberflächenenergie allgemein gering ist, und somit kann eine in hohem Maße einheitliche hydrophobe Oberfläche erhalten werden. In the porous medium of the present invention, the size of the large aspect ratio nanopattern formed by plasma etching is considerably smaller than that of the conventional surface described above, and the surface roughness is much larger than that of the conventional surface. Therefore, the porous medium of the present invention may have a contact angle (ie, static contact angle) of 150 ° or more, and have highly hydrophobic surface properties due to the micro-nano-double structure. In particular, even a surface containing no PTFE can have high hydrophobicity, which corresponds to a contact angle of 150 ° or more. Besides, the hydrophobic thin film is uniformly deposited on the surface, so that the surface energy is generally low, and thus a highly uniform hydrophobic surface can be obtained.

Es ist schwierig, ein hydrophobes Mittel, wie beispielsweise PTFE, das in die mikroporöse Schicht und das makroporöse Substrat einer kommerziell erhältlichen Gasdiffusionsschicht eingebracht wird, gleichmäßig in die Oberfläche und das Innere einzubringen, und es muss ein kompliziertes Nassverfahren zur Herstellung verwendet werden. Daneben ist es schwierig, den Kontaktwinkel der Oberfläche des porösen Mediums auf mehr als 150° zu erhöhen.It is difficult to uniformly introduce a hydrophobic agent such as PTFE incorporated in the microporous layer and the macroporous substrate of a commercially available gas diffusion layer into the surface and the inside, and a complicated wet process must be used for production. Besides, it is difficult to increase the contact angle of the surface of the porous medium to more than 150 °.

Das Verfahren zum Herstellen des stark hydrophoben porösen Mediums gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: (a) das Bereitstellen eines porösen Mediums, das nur ein makroporöses Substrat aufweist, oder eine Struktur hat, in der ein makroporöses Substrat und eine mikroporöse Schicht miteinander kombiniert sind; (b) das Bilden von Nanostrukturen in Form von Nano-Vorsprüngen mit einem großen Aspektverhältnis oder von kollabierten Nanoporen auf der Oberfläche der Kohlenstoffmaterialien des porösen Mediums; und (c) das Abscheiden einer hydrophoben dünnen Schicht auf der Oberfläche des porösen Mediums, auf der die Nanostrukturen gebildet wurden.The method for producing the highly hydrophobic porous medium according to the present invention comprises: (a) providing a porous medium having only a macroporous substrate or having a structure in which a macroporous substrate and a microporous layer are combined with each other; (b) forming nanostructures in the form of nano-protrusions having a high aspect ratio or collapsed nanopores on the surface of the carbon materials of the porous medium; and (c) depositing a hydrophobic thin layer on the surface of the porous medium on which the nanostructures have been formed.

Wie in 1 gezeigt ist, dient Schritt (a) dazu, ein poröses Medium bereitzustellen, das nur ein makroporöses Substrat aufweist, oder eine Struktur hat, in der ein makroporöses Substrat und eine mikroporöse Schicht miteinander kombiniert sind, und dieses Verfahren zum Herstellen des porösen Mediums ist in der Wissenschaft allgemein bekannt. In einer bevorzugten Ausführungsform kann ein kommerziell erhältliches poröses Medium für die Gasdiffusionsschicht, in der die mikroporöse Schicht und das makroporöse Substrat miteinander kombiniert sind, verwendet werden.As in 1 is shown, step (a) serves to provide a porous medium having only a macroporous substrate or having a structure in which a macroporous substrate and a microporous layer are combined with each other, and this method of producing the porous medium is disclosed in US Pat generally known to science. In a preferred embodiment, a commercially available porous medium for the gas diffusion layer in which the microporous layer and the macroporous substrate are combined with each other can be used.

Schritt (b) dient dazu, Nanostrukturen mit einem großen Aspektverhältnis zu bilden, indem an beiden Seiten des porösen Mediums, welches die mikroporöse Schicht und das makroporöse Substrat aufweist, auf dem die nanometergroßen und die mikrometergroßen Oberflächen gebildet werden, ein Plasmaätzen durchgeführt wird. Das Plasmaätzen kann eine plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung (plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD) oder eine plasmagestützte chemische Dampfabscheidung (plasma-assisted chemical vapor deposition, PACVD) sein und unter Verwenden von O2, Ar, N2, He, CF4, CHF3, C2F6, HF oder SiF4 ablaufen. Neben der chemischen Dampfabscheidung (chemical vapor deposition, CVD) kann das Ätzen zudem mittels einer Kombination aus Ionenstrahl, chemischer Dampfabscheidung mittels einem oder Hybridplasma (hybrid plasma chemicalapor deposition, HPVCD) und atmosphärischem Plasma durchgeführt werden.Step (b) serves to form nanostructures with a high aspect ratio by performing plasma etching on both sides of the porous medium comprising the microporous layer and the macroporous substrate on which the nanometer-sized and micrometer-sized surfaces are formed. The plasma etching may be plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) or plasma-enhanced chemical vapor deposition (PACVD) and using O 2 , Ar, N 2 , He, CF 4 , CHF 3 , C 2 F 6 , HF or SiF 4 expire. In addition to the chemical vapor deposition (CVD), the etching can also be carried out by means of a combination of ion beam, chemical vapor deposition by means of a hybrid plasma (hybrid plasma chemical vapor deposition, HPVCD) and atmospheric plasma.

Wenn die mittels dem Plasmaätzen geätzte Oberfläche vergrößert wird, kann man sehen, dass eine große Anzahl an Nano-Vorsprüngen mit einem großen Aspektverhältnis gebildet wurde, und die Änderung der Verteilung der Nano-Vorsprünge auf den Oberflächen der mikroporösen Schicht und des makroporösen Substrats sind aus den 2 und 4 zu erkennen.When the surface etched by the plasma etching is increased, it can be seen that a large number of nano-protrusions having a large aspect ratio have been formed, and the change in the distribution of the nano-protrusions on the surfaces of the microporous layer and the macroporous substrate is insufficient the 2 and 4 to recognize.

Die 2A und 2B sind Rasterelektronenmikroskop-(REM-)Aufnahmen, die die Oberfläche der mikroporösen Schicht vor dem Plasmaätzen mit Sauerstoff zeigen, und die 2C ist eine REM-Aufnahme, die die mittels Sauerstoffplasma geätzte Oberfläche der mikroporösen Schicht zeigt. Daneben ist 2D eine REM-Aufnahme, die die Oberfläche zeigt, auf der die hydrophobe dünne Schicht final auf der mittels Sauerstoffplasma geätzten mikroporösen Schicht abgeschieden wurde.The 2A and 2 B are scanning electron microscope (SEM) images showing the surface of the microporous layer before plasma etching with oxygen, and the 2C is an SEM image showing the oxygen plasma etched surface of the microporous layer. Next to it is 2D a SEM image showing the surface on which the hydrophobic thin film was finally deposited on the oxygen plasma etched microporous layer.

Im Vergleich zu den 2A und 2B vor der Plasmaätzbehandlung lässt sich, wie in 2C gezeigt ist, erkennen, dass die Größe des Nanomusters relativ von etwa 50 Nanometern auf etwa 10 bis 30 Nanometern reduziert ist und die Oberfläche stärker aufgeraut ist. Das Sauerstoffplasma reagiert unter Ätzen der Kohlenstoffteilchen auf der Oberfläche der mikroporösen Schicht und der Kohlenstofffasern auf der Oberfläche des makroporösen Substrats mit den Kohlenstoffmaterialien. Hierbei werden die Kohlenstoffmaterialien unter Bildung von CO2 oder CO mit dem Sauerstoffplasma verbunden, wodurch die Oberfläche geätzt wird.Compared to the 2A and 2 B before the plasma etching treatment can be, as in 2C 12, it can be seen that the size of the nanopattern is relatively reduced from about 50 nanometers to about 10 to 30 nanometers and the surface is roughened more. The oxygen plasma reacts with the carbon materials by etching the carbon particles on the surface of the microporous layer and the carbon fibers on the surface of the macroporous substrate. Here, the carbon materials are combined with the oxygen plasma to form CO 2 or CO, whereby the surface is etched.

In dem Plasmaätzverfahren der vorliegenden Erfindung können die Größe und die Form der Nanostrukturen mit einem großen Aspektverhältnis durch Einstellen wenigstens eines von Ätzdruck, Beschleunigungsspannung und Ätzdauer (d. h. die Dauer der Behandlung mit dem Plasma) gesteuert werden. Vorzugsweise beträgt der Ätzdruck 1 Pa bis 10 Pa, und die Beschleunigungsspanung beträgt –100 Vb bis –1.000 Vb. In the plasma etching method of the present invention, the size and shape of the nanostructures having a large aspect ratio can be controlled by adjusting at least one of etching pressure, accelerating voltage and etching time (ie, the duration of treatment with the plasma). Preferably, the etching pressure is 1 Pa to 10 Pa, and the acceleration voltage is -100 Vb to -1,000 Vb.

Wenn der Ätzdruck kleiner als 1 Pa ist, ist die Bildungsgeschwindigkeit des Oberflächenrauigkeitsmusters zu klein, um effektiv ein Muster auszubilden, wohingegen, wenn der Druck größer als 10 Pa ist, die Bildungsgeschwindigkeit des Oberflächenrauigkeitsmusters zu groß ist, um ein stabiles Muster auszubilden.If the etching pressure is less than 1 Pa, the formation speed of the surface roughness pattern is too small to effectively form a pattern, whereas if the pressure is larger than 10 Pa, the formation speed of the surface roughness pattern is too large to form a stable pattern.

Daneben kann, wenn die Beschleunigungsspannung kleiner als –100 Vb ist, das Plasma nicht effizient erzeugt werden, wohingegen, wenn die Beschleunigungsspannung größer als –1.000 Vb ist, der Prozess der Plasmaerzeugung nicht stabil aufrechterhalten werden kann.Besides, when the acceleration voltage is smaller than -100 Vb, the plasma can not be efficiently generated, whereas when the acceleration voltage is larger than -1000 Vb, the process of plasma generation can not be stably maintained.

Da die Bildung der Nanostrukturen auf der Oberfläche je nach Dauer des Plasmaätzens einen wesentlichen Einfluss auf das Leistungsvermögen der Brennstoffzelle haben kann, ist es zudem wichtig, die Bestrahlung mit Plasma über einen optimal langen Zeitraum durchzuführen, und daher wird das Plasmaätzen vorzugsweise über einen Zeitraum von 0,1 bis 60 Minuten durchgeführt.In addition, since the formation of nanostructures on the surface may have a significant effect on the performance of the fuel cell depending on the duration of the plasma etching, it is important to carry out the plasma irradiation for an optimally long period of time, and therefore the plasma etching is preferably performed over a period of 0.1 to 60 minutes.

Wenn die Dauer des Plasmaätzens weniger als 0,1 Minuten beträgt, ist die Ätzwirkung zu klein um eine Entwicklung der Nanostrukturen zuzulassen, wohingegen es bei einer Dauer von mehr als 60 Minuten aufgrund des übermäßigen Ätzens schwierig ist, die Oberflächenform der gewünschten Nanostrukturen zu steuern, wobei ferner auch die Gesamtdauer der Oberflächenbehandlung zu lang ist und damit die Produktivität verringert wird.If the duration of the plasma etching is less than 0.1 minute, the etching effect is too small to allow development of the nanostructures, whereas it is difficult to control the surface shape of the desired nanostructures for more than 60 minutes due to excessive etching. Furthermore, the total duration of the surface treatment is too long and thus the productivity is reduced.

Schritt (e) dient dazu, eine hydrophobe dünne Schicht auf der Oberfläche des porösen Mediums abzuscheiden, auf der eine Verbund-Poren-Struktur, welche Mikroporen und Nanoporen umfasst, gebildet wurde. Um die hydrophobe dünne Schicht abzuscheiden, kann ein gemischtes Gas aus Argon (in einem Bereich von 0 bis 30 Vol.-%) und Hexamethyldisiloxan oder Hexamethyldisiloxangas verwendet werden.Step (e) serves to deposit a hydrophobic thin layer on the surface of the porous medium on which a composite pore structure comprising micropores and nanopores has been formed. In order to deposit the hydrophobic thin layer, a mixed gas of argon (in a range of 0 to 30% by volume) and hexamethyldisiloxane or hexamethyldisiloxangas may be used.

Die Oberflächeneigenschaften der hydrophoben dünnen Schicht zum Erhöhen der Hydrophobizität hängen von der Radiofrequenz-(RF-)Stromversorgung und dem Anteil an Argon in einer PECVD-Apparatur ab.The surface properties of the hydrophobic thin layer to increase hydrophobicity depend on the radio frequency (RF) power supply and the amount of argon in a PECVD apparatus.

Daher ist es, wenn die RF-Stromversorgung und der Anteil an Argon im Precursorgas in geeigneter Weise gesteuert werden, möglich, die hydrophoben Eigenschaften zu steuern und eine verbesserte dünne Schicht zu erhalten.Therefore, if the RF power supply and the content of argon in the precursor gas are suitably controlled, it is possible to control the hydrophobic properties and obtain an improved thin film.

Im Folgenden werden Beispiele für die vorliegende Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.Hereinafter, examples of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

Ein Verfahren zum Herstellen eines stark hydrophoben porösen Mediums auf der Oberfläche der mikroporösen Schicht und des makroporösen Substrats, welche die Gasdiffusionsschicht als typisches Beispiel für das poröse Medium in einer Brennstoffzelle bilden, wird in den nachstehend angegebenen Beispielen 1 und 2 beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist.A method for producing a highly hydrophobic porous medium on the surface of the microporous layer and the macroporous substrate constituting the gas diffusion layer as a typical example of the porous medium in a fuel cell is described in Examples 1 and 2 given below, wherein the present invention but not limited thereto.

Beispiel 1: Material für eine mikroporöse Schicht mit erhöhter HydrophobizitätExample 1: Material for a microporous layer with increased hydrophobicity

Zunächst wurde ein kommerziell erhältliches Material für eine Gasdiffusionsschicht verwendet, das eine mikroporöse Schicht, welche Kohlenstoffpulver mit einem Durchmesser von 10 bis 300 Nanometern und PTFE enthält, und ein makroporöses Substrat, welches Kohlenstofffasern in Form eines Filzes und PTFE enthält, umfasst. Für die vorliegende Erfindung kann jedoch ein Material für eine Gasdiffusionsschicht mit einem makroporösen Substrat, welches nur Kohlenstofffasern und kein hydrophobes Material, wie beispielsweise PTFE, enthält, verwendet werden. Die Größe der Kohlenstoffteilchen, die die mikroporöse Schicht in dem Material für die Gasdiffusionsschicht bilden, ist nicht einheitlich und liegt in einem Bereich von 10 bis 300 Nanometern.First, a commercially available material for a gas diffusion layer comprising a microporous layer containing carbon powder having a diameter of 10 to 300 nanometers and PTFE, and a macroporous substrate containing carbon fibers in the form of a felt and PTFE was used. However, for the present invention, a material for a gas diffusion layer having a macroporous substrate containing only carbon fibers and not a hydrophobic material such as PTFE may be used. The size of the carbon particles constituting the microporous layer in the material for the gas diffusion layer is not uniform and is in a range of 10 to 300 nanometers.

Die grundlegenden Eigenschaften und Charakteristiken der in diesem Beispiel der vorliegenden Erfindung verwendeten Gasdiffusionsschicht sind in Tabelle 1 angegeben. Die Gesamtdicke des porösen Mediums (d. h. der Gasdiffusionsschicht) wurde durch wenigstens 20-faches Messen unter Verwenden eines Dickenmessgeräts von Mitutoyo (Mitutoyo Co., Japan) erhalten.The basic characteristics and characteristics of the gas diffusion layer used in this example of the present invention are shown in Table 1. The total thickness of the porous medium (i.e., the gas diffusion layer) was obtained by measuring at least 20 times using a Mitutoyo thickness gauge (Mitutoyo Co., Japan).

Das Gewicht pro Flächeneinheit des porösen Mediums wurde durch wenigstens 20-faches Messen mit einer digitalen Waage (A&D Company, Japan) erhalten, und die Luftdurchlässigkeit des porösen Mediums wurde wenigstens 5-mal bei Bedingungen von 0,3 kPa unter Verwenden des Gurley-Verfahrens gemessen. [Tabelle 1] Dicke der GDL (μm) Art des makroporösen Substrats Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein der mikroporösen Schicht Gewicht pro Flächeneinheit der GDL (g/m2) Luftdurchlässigkeit [cm3/(cm2·s)] 426 ± 10 Filz aus Kohlenstofffasern vorhanden 135 ± 2 3,2 ± 1,6 The weight per unit area of the porous medium was obtained by measuring at least 20 times with a digital balance (A & D Company, Japan), and the air permeability of the porous medium was at least 5 times under conditions of 0.3 kPa using the Gurley method measured. [Table 1] Thickness of the GDL (μm) Type of macroporous substrate Presence or absence of the microporous layer Weight per unit area of GDL (g / m 2 ) Air permeability [cm 3 / (cm 2 .s)] 426 ± 10 Felt made of carbon fibers available 135 ± 2 3.2 ± 1.6

Die 2A und 2B sind wenig und stark vergrößerte Aufnahmen der Oberfläche der mikroporösen Schicht in diesem Beispiel vor dem Plasmaätzen mit Sauerstoff.The 2A and 2 B are little and greatly magnified images of the surface of the microporous layer in this example before plasma etching with oxygen.

Die Oberfläche einer erzeugten mikroporösen Schicht wurde einer Plasmaätzbehandlung mit Sauerstoff unter Verwenden von RF-PECVD unterzogen, und das Plasmaätzen mit Sauerstoff wurde unter Bedingungen durchgeführt, bei denen nur Sauerstoff als Gas zum Einsatz kam, der Ätzdruck 10 Pa betrug und die RF-Spannung –100 Vb bis –800 Vb betrug.The surface of a generated microporous layer was subjected to plasma etching treatment with oxygen using RF-PECVD, and oxygen plasma etching was conducted under conditions using only oxygen as the gas, the etching pressure was 10 Pa, and the RF voltage. 100 Vb to -800 Vb.

Das Sauerstoffplasma reagiert unter Ätzen der Kohlenstoffteilchen auf der Oberfläche der mikroporösen Schicht mit den Kohlenstoffmaterialien, und dabei werden die Kohlenstoffmaterialien unter Bildung von CO2 oder CO mit dem Sauerstoffplasma verbunden, wodurch die Oberfläche der mikroporösen Schicht geätzt wird.The oxygen plasma reacts with etching of the carbon particles on the surface of the microporous layer with the carbon materials, and thereby the carbon materials, forming CO 2 or CO are connected to the oxygen plasma, whereby the surface of the microporous layer is etched.

Insbesondere werden die Oberflächen von kugelförmigen Teilchen mit einer Größe von mehreren zehn bis mehreren hundert Nanometern, welche die mikroporöse Schicht bilden, geätzt, wobei scharfkantige Kohlenstoffteilchen mit einer Breite von 10 bis 20 Nanometern gebildet werden.Specifically, the surfaces of spherical particles having a size of several tens to several hundreds of nanometers, which form the microporous layer, are etched to form sharp-edged carbon particles having a width of 10 to 20 nanometers.

3 ist ein Graph, der die Änderung des Kontaktwinkels von einem Tropfen auf der Oberfläche einer mikroporösen Schicht während des Ändern der Dauer des Plasmaätzens mittels Sauerstoff zeigt. Wie in 3 gezeigt ist, wird, wenn die Dauer des Plasmaätzens mit Sauerstoff bei einer Spannung von –400 Vb während des Plasmaätzens auf 1, 2, 5 bis 10 Minuten geändert wird, die Breite der Nanoteilchen auf der Oberfläche auf 10 bis 20 Nanometer verringert, und die Form der Nanoteilchen wird zu Nano-Vorsprüngen mit einer Länge von 10 bis 50 Nanometern geändert. Als Folge davon werden die Kohlenstoff-Nanoteilchen zu Nano-Vorsprüngen geändert, und somit nimmt die Oberflächenrauigkeit zu. 3 FIG. 12 is a graph showing the change in the contact angle of one drop on the surface of a microporous layer while changing the duration of the plasma etching by means of oxygen. As in 3 is shown, when the duration of the plasma etching with oxygen at a voltage of -400 Vb during the plasma etching is changed to 1, 2, 5 to 10 minutes, the width of the nanoparticles on the surface is reduced to 10 to 20 nanometers, and the The shape of the nanoparticles is changed to nano-projections with a length of 10 to 50 nanometers. As a result, the carbon nanoparticles are changed to nano-projections, and thus the surface roughness increases.

Dann wurde eine hydrophobe dünne Schicht, die Silizium und Sauerstoff enthält, auf der Oberfläche der so ausgebildeten Kohlenstoff-Nano-Vorsprünge abgeschieden, um die Hydrophobizitäten erhöhen wurde.Then, a hydrophobic thin film containing silicon and oxygen was deposited on the surface of the carbon nanoparticles thus formed to increase the hydrophobicity.

Die hydrophobe Schicht wurde mittels einer RF-PECVD bei 13,56 MHz aus HMDSO abgeschieden, wobei der Anteil an Argongas in dem Precursor-Gas auf 0 Vol.-% gehalten wurde und die RF-Stromquelle fest auf –400 Vb eingestellt wurde. Die abgeschiedene hydrophobe dünne Schicht besaß eine gleichmäßige Dicke von etwa 10 nm, und der Druck in der Kammer lag bei 5 Pa. Die Eigenschaften der mikroporösen Schicht in dem im vorliegenden Beispiel gebildeten hydrophoben porösen Medium wurden analysiert, und es wurden die folgenden Ergebnisse erhalten.The hydrophobic layer was deposited from HMDSO at 13.56 MHz using an RF PECVD with the argon gas content in the precursor gas maintained at 0% by volume and the RF power source set at -400 Vb. The deposited hydrophobic thin layer had a uniform thickness of about 10 nm and the pressure in the chamber was 5 Pa. The properties of the microporous layer in the hydrophobic porous medium formed in the present example were analyzed, and the following results were obtained.

Wie in 2 gezeigt ist, besaß die Oberfläche der in Beispiel 1 gebildeten mikroporösen Schicht eine Struktur, bei der eine hydrophobe dünne Schicht auf einer Nano-Vorsprünge aufweisenden Oberfläche abgeschieden wird. Der Kontaktwinkel auf der hydrophoben Oberfläche mit der vorstehend angegebenen Struktur beträgt 150° oder mehr, wie in 2D gezeigt ist, und der Kontaktwinkel kann entsprechend den Bedingungen der Abscheidung der hydrophoben dünnen Schicht gesteuert werden.As in 2 As shown in Figure 1, the surface of the microporous layer formed in Example 1 had a structure in which a hydrophobic thin layer was deposited on a nano-protruded surface. The contact angle on the hydrophobic surface having the above structure is 150 ° or more as in 2D is shown, and the contact angle can be controlled according to the conditions of deposition of the hydrophobic thin film.

Der Kontaktwinkel wurde unter Verwenden eines Goniometers (Data Physics Instrument GmbH, OCA 20L) gemessen, und dieses Gerät ermöglicht, die optische Darstellung und den Kontaktwinkel eines auf der Oberfläche sitzenden Tropfens zu erfassen. Der „Kontaktwinkel”, wie er der Einfachheit halber in der vorliegenden Erfindung bezeichnet wird, gibt den „statischen Kontaktwinkel” an. Der Kontaktwinkel (d. h. der statische Kontaktwinkel) wurde gemessen, indem ein 5 ml-Tropfen behutsam auf die Oberfläche aufgesetzt wurde.The contact angle was measured using a goniometer (Data Physics Instrument GmbH, OCA20L), and this device makes it possible to detect the visual appearance and contact angle of a drop sitting on the surface. The "contact angle" as referred to for simplicity in the present invention indicates the "static contact angle". The contact angle (i.e., the static contact angle) was measured by gently placing a 5 ml drop on the surface.

In 3, welche den Kontaktzustand des Tropfens auf der Oberfläche der mikroporösen Schicht zeigt, beträgt der Kontaktwinkel auf der Oberfläche der mikroporösen Schicht vor dem Ätzen etwa 145°. Wenn die Nano-Vorsprünge auf der Oberfläche ausgebildet werden und die hydrophobe dünne Schicht darauf abgeschieden wird, nimmt der Kontaktwinkel – je nach Dauer der Behandlung mit Sauerstoffplasma – jedoch auf etwa 160 bis 170° zu, und die Oberfläche weist daher eine Superhydrophobizität auf. In 3 showing the contact state of the drop on the surface of the microporous layer, the contact angle on the surface of the microporous layer before etching is about 145 °. However, when the nano-protrusions are formed on the surface and the hydrophobic thin film is deposited thereon, the contact angle increases to about 160 to 170 ° depending on the duration of the oxygen plasma treatment, and therefore, the surface has superhydrophobicity.

Als Folge davon ist es entsprechend dem vorstehend angegebenen Herstellungsverfahren möglich, eine stark hydrophobe mikroporöse Schicht bereitzustellen und, da die Oberfläche der mikroporösen Schicht eine selbstreinigende Funktion und eine wasserabstoßende Funktion besitzt, kann das poröse Medium mit der vorstehend beschriebenen mikroporösen Schicht in vorteilhafter Weise als Material verwendet werden, welches das Leistungsvermögen einer Brennstoffzelle aufrechterhalten kann, da effizient das während der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle erzeugte Wasser entfernt werden kann.As a result, according to the above-mentioned production method, it is possible to provide a highly hydrophobic microporous layer and, since the surface of the microporous layer has a self-cleaning function and a water-repellent function, the porous medium having the above-described microporous layer can be advantageously used as the material can be used, which can maintain the performance of a fuel cell, since efficiently the water generated during the electrochemical reaction of the fuel cell can be removed.

Beispiel 2: Material für das makroporöse Substrat mit erhöhter HydrophobizitätExample 2 Material for the Macroporous Substrate with Increased Hydrophobicity

Das makroporöse Substrat auf der anderen Seite (siehe 1) des porösen Mediums weist Kohlenstofffasern in Form eines Filzes und PTFE als poröses Material, das zwischen den Kohlenstofffasern verteilt ist, auf. Daher beträgt der Kontaktwinkel des makroporösen Substrats selbst in Bezug auf einen Tropfen etwa 135 bis 145°. Daneben ist der Kontaktwinkel des makroporösen Substrats ähnlich wie derjenige der intrinsischen mikroporösen Schicht. Die Kohlenstofffasern, die das makroporöse Substrat bilden, sind in Form eines Filzes vorgesehen und der Durchmesser der Kohlenstofffasern liegt in einem Bereich von etwa 5 bis 20 Mikrometern.The macroporous substrate on the other side (see 1 ) of the porous medium has carbon fibers in the form of a felt and PTFE as a porous material distributed between the carbon fibers. Therefore, the contact angle of the macroporous substrate itself with respect to a drop is about 135 to 145 °. Besides, the contact angle of the macroporous substrate is similar to that of the intrinsic microporous layer. The carbon fibers constituting the macroporous substrate are provided in the form of a felt, and the diameter of the carbon fibers is in a range of about 5 to 20 microns.

Zunächst wurde die Oberfläche eines erzeugten makroporösen Substrats einer Plasmaätzbehandlung mit Sauerstoff unter Verwenden von RF-PECVD unterzogen, und das Plasmaätzen mit Sauerstoff wurde unter Bedingungen durchgeführt, in denen nur Sauerstoff als Gas verwendet wurde, der Ätzdruck 10 Pa betrug und die RF-Spannung –100 Vb bis –800 Vb betrug.First, the surface of a generated macroporous substrate was subjected to plasma etching treatment with oxygen using RF-PECVD, and the oxygen plasma etching was conducted under conditions where only oxygen was used as the gas, the etching pressure was 10 Pa, and the RF voltage - 100 Vb to -800 Vb.

Das Sauerstoffplasma reagiert unter Ätzen der Kohlenstofffasern auf der Oberfläche des makroporösen Substrats mit den Kohlenstoffmaterialien, und dabei werden die Kohlenstoffmaterialien unter Bilden von CO2 oder CO mit dem Sauerstoffplasma verbunden, wodurch die Oberfläche des makroporösen Substrats geätzt wird. Die Formen der Oberfläche vor und nach dem Plasmaätzen sind entsprechend in den 4A und 4B gezeigt, aus denen ersichtlich ist, dass nach dem Plasmaätzen Nano-Vorsprünge mit einem großen Aspektverhältnis aus der Oberfläche der mikrometergroßen Kohlenstofffasern gebildet werden, wodurch eine Mikro-Nano-Doppelstruktur ausgebildet wird.The oxygen plasma reacts with the carbon materials by etching the carbon fibers on the surface of the macroporous substrate, thereby bonding the carbon materials to the oxygen plasma to form CO 2 or CO, thereby etching the surface of the macroporous substrate. The shapes of the surface before and after the plasma etching are corresponding in the 4A and 4B 5, it can be seen that after plasma etching, nano-protrusions having a large aspect ratio are formed from the surface of the micrometer-sized carbon fibers, thereby forming a micro-nano-double structure.

5 ist ein Graph, der die Änderung des Kontaktwinkels eines Tropfens auf der Oberfläche des makroporösen Substrats während des Änderns der Dauer des Plasmaätzens mittels Sauerstoff zeigt. Wie in 5 gezeigt ist, werden, wenn die Dauer des Plasmaätzens mit Sauerstoff bei einer Spannung von –400 Vb während des Plasmaätzens auf 1, 2, 5 bis 10 Minuten geändert wird, Nano-Vorsprünge auf der Oberfläche der Kohlenstofffasern und der Oberfläche des PTFE zwischen den Kohlenstofffasern gebildet. 5 FIG. 12 is a graph showing the change in the contact angle of a drop on the surface of the macroporous substrate while changing the duration of plasma etching by means of oxygen. As in 5 For example, when the duration of the plasma etching with oxygen at a voltage of -400 Vb during the plasma etching is changed to 1, 2, 5 to 10 minutes, nano-protrusions on the surface of the carbon fibers and the surface of the PTFE become between the carbon fibers educated.

Die Vorsprünge weisen hier eine Breite von 10 bis 30 Nanometern und eine Länge von 10 bis 200 Nanometern auf, so dass sich ein Aspektverhältnis von 1 bis 7 ergibt. Als Folge davon bilden die Kohlenstofffasern mit einem Durchmesser von 5 bis 20 Mikrometern und die die darauf gebildeten Nano-Vorsprpünge mit einem großen Aspektverhältnis eine Mikro-Nano-Doppelstruktur mit Vorsprüngen, wodurch eine Oberfläche mit einer Mikro-Nano-Doppel-(Verbund-)Struktur bereitgestellt wird. Diese Oberfläche weist superhydrophobe und selbstreinigende Eigenschaften auf, sodass die Superhydrophobizität bereitgestellt wird, die mit der vorliegenden Erfindung erreicht werden soll.The projections here have a width of 10 to 30 nanometers and a length of 10 to 200 nanometers, resulting in an aspect ratio of 1 to 7. As a result, the carbon fibers having a diameter of 5 to 20 microns and the nano-protrusions having a high aspect ratio formed thereon form a micro-nano-double structure with protrusions, thereby forming a micro-nano-double (compound) surface. Structure is provided. This surface has superhydrophobic and self-cleaning properties to provide the superhydrophobicity to be achieved with the present invention.

Dann wurde eine hydrophobe dünne Schicht, die Silizium und Sauerstoff zum Erhöhen der Hydrophobizität enthält, auf dem makroporösen Substrat abgeschieden, welches die Doppelstruktur mit Vorsprüngen der Oberfläche der Kohlenstofffasern, die die auf diese Weise gebildeten Nano-Vorsprünge aufweisen, und die PTFE Oberfläche umfasst. In diesem Verfahren wurde die hydrophobe dünne Schicht mittels RF-PECVD bei 13,56 MHz aus HMDSO abgeschieden, wobei der Anteil an Argongas in dem Precursor-Gas bei 0 Vol.-% gehalten wurde und die RF-Stromquelle fest auf –400 Vb eingestellt wurde. Die abgeschiedene hydrophobe dünne Schicht besaß eine einheitliche Dicke von etwa 10 nm, und der Druck in der Kammer lag bei 5 Pa. Die Eigenschaften des in dem vorliegenden Beispiel gebildeten makroporösen Substrats in dem hydrophoben porösen Medium wurden analysiert, und es wurden die folgenden Ergebnisse erhalten.Then, a hydrophobic thin film containing silicon and oxygen for increasing hydrophobicity was deposited on the macroporous substrate comprising the double structure having protrusions of the surface of the carbon fibers having the nano-protrusions thus formed and the PTFE surface. In this method, the hydrophobic thin film was deposited by RF-PECVD at 13.56 MHz of HMDSO while keeping the content of argon gas in the precursor gas at 0% by volume and the RF power source fixedly set to -400 Vb has been. The deposited hydrophobic thin layer had a uniform thickness of about 10 nm and the pressure in the chamber was 5 Pa. The properties of the macroporous substrate formed in the present example in the hydrophobic porous medium were analyzed, and the following results were obtained.

Wie in 4 gezeigt ist, weist die Oberfläche des in Beispiel 2 gebildeten makroporösen Substrats eine Struktur auf, in der eine hydrophobe dünne Schicht auf der Oberfläche aus Kohlenstofffasern, die Nano-Vorsprünge aufweist, und der Oberfläche aus PTFE abgeschieden ist. As in 4 As shown in FIG. 2, the surface of the macroporous substrate formed in Example 2 has a structure in which a hydrophobic thin layer is deposited on the surface of carbon fibers having nano-protrusions and the surface of PTFE.

In dieser Struktur beträgt der Kontaktwinkel auf der Oberfläche des hydrophoben porösen Mediums, wie in 5 gezeigt ist, 150° oder mehr, und der Kontaktwinkel kann entsprechend den Bedingungen des Plasmaätzens und entsprechend den Bedingungen der Abscheidung der hydrophoben dünnen Kohlenstoffschicht gesteuert werden.In this structure, the contact angle on the surface of the hydrophobic porous medium is as in 5 is shown, 150 ° or more, and the contact angle can be controlled according to the conditions of plasma etching and according to the conditions of deposition of the hydrophobic thin carbon layer.

Der Kontaktwinkel wurde unter Verwenden des Goniometers aus Beispiel 1 gemessen und dieses Gerät ermöglicht, die optische Darstellung und den Kontaktwinkel eines auf der Oberfläche sitzenden Tropfens zu erfassen. Der statische Kontaktwinkel wurde gemessen, indem ein 5 ml-Tropfen behutsam auf die Oberfläche aufgesetzt wurde.The contact angle was measured using the goniometer of Example 1, and this device makes it possible to detect the visual appearance and contact angle of a drop sitting on the surface. The static contact angle was measured by gently placing a 5 ml drop on the surface.

Wie in 5 gezeigt ist, beträgt der statische Kontaktwinkel auf der Oberfläche des makroporösen Substrats selbst etwa 145°. Wenn die Nano-Vorsprünge auf der Oberfläche gebildet werden und die hydrophobe dünne Kohlenstoffschicht auf der Oberfläche abgeschieden wird, weist das makroporöse Substrat jedoch eine Superhydrophobizität auf, was einem statischen Kontaktwinkel von größer 155° entspricht, wobei sich der statische Kontaktwinkel in Abhängigkeit von der Dauer der Behandlung mit Sauerstoffplasma ändert.As in 5 is shown, the static contact angle on the surface of the macroporous substrate itself is about 145 °. However, when the nano-protrusions are formed on the surface and the hydrophobic thin carbon layer is deposited on the surface, the macroporous substrate has super-hydrophobicity, which corresponds to a static contact angle of greater than 155 °, with the static contact angle as a function of duration the treatment with oxygen plasma changes.

Als Folge davon ist es entsprechend dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren möglich, ein stark hydrophobes makroporöses Substrat bereitzustellen, und, da die Oberfläche des makroporösen Substrats eine selbstreinigende Funktion und eine wasserabstoßende Funktion aufweist, kann das poröse Medium mit dem vorstehend beschriebenen makroporösen Substrat in vorteilhafter Weise als Material verwendet werden, welches das Leistungsvermögen einer Brennstoffzelle aufrechterhalten kann, da effizient das während der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle erzeugte Wasser entfernt werden kann.As a result, according to the manufacturing method described above, it is possible to provide a highly hydrophobic macroporous substrate, and, since the surface of the macroporous substrate has a self-cleaning function and a water-repellent function, the porous medium having the macroporous substrate described above can be advantageously used Material can be used, which can maintain the performance of a fuel cell, since efficiently the water generated during the electrochemical reaction of the fuel cell can be removed.

Gemäß dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung ist es als solches möglich, die hydrophoben Eigenschaften der Oberflächen der mikroporösen Schicht und des makroporösen Substrats wesentlich zu erhöhen und so ein stark hydrophobes poröses Medium bereitzustellen.As such, according to the production method of the present invention, it is possible to substantially increase the hydrophobic properties of the surfaces of the microporous layer and the macroporous substrate to provide a highly hydrophobic porous medium.

Insbesondere ist es gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erhöhen der hydrophoben Eigenschaften der Oberflächen der mikroporösen Schicht und des makroporösen Substrats möglich, die hydrophoben Eigenschaften einer Gasdiffusionsschicht, welche die mikroporöse Schicht und das makroporöse Substrat enthält, wesentlich zu erhöhen.In particular, according to the method of the present invention for enhancing the hydrophobic properties of the surfaces of the microporous layer and the macroporous substrate, it is possible to substantially increase the hydrophobic properties of a gas diffusion layer containing the microporous layer and the macroporous substrate.

Wie vorstehend beschrieben ist, nimmt der Kontaktwinkel auf der Oberfläche des erfindungsgemäßen stark hydrophoben porösen Mediums erheblich zu, so dass das poröse Medium der vorliegenden Erfindung superhydrophobe Oberflächeneigenschaften aufweist. Diese superhydrophobe Oberfläche weist eine selbstreinigende Funktion sowie eine wasserabstoßende Funktion auf. Das erfindungsgemäße stark hydrophobe poröse Medium kann daher in vorteilhafter Weise als poröses Medium für eine Brennstoffzelle, wie beispielsweise als Gasdiffusionsschicht, verwendet werden und effizient das während der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle erzeugte Wasser entfernen, wodurch das hohe Leistungsvermögen der Brennstoffzelle beibehalten werden kann.As described above, the contact angle on the surface of the highly hydrophobic porous medium of the present invention significantly increases, so that the porous medium of the present invention has superhydrophobic surface properties. This superhydrophobic surface has a self-cleaning function and a water-repellent function. Therefore, the highly hydrophobic porous medium of the present invention can be advantageously used as a porous medium for a fuel cell such as a gas diffusion layer and efficiently remove the water generated during the electrochemical reaction of the fuel cell, whereby the high performance of the fuel cell can be maintained.

Die Erfindung wurde ausführlich unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Ein Fachmann wird jedoch erkennen, dass diese Ausführungsformen abgeändert werden können, ohne dabei von den Prinzipien und dem Geiste der Erfindung, deren Umfang in den beigefügten Ansprüchen und deren Äquivalenten definiert ist, abzuweichen.The invention has been described in detail with reference to preferred embodiments. One skilled in the art will recognize, however, that these embodiments may be varied without departing from the principles and spirit of the invention, the scope of which is defined in the appended claims and their equivalents.

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Claims (20)

Poröses Medium mit erhöhter Hydrophobizität, wobei das poröse Medium eine Mikro-Nano-Doppelstruktur umfasst, in der nanometergroße Vorsprünge oder kollabierte Poren auf der Oberfläche des porösen Mediums mit einer Oberflächenrauigkeit im Mikrometerbereich gebildet sind; und eine hydrophobe dünne Schicht auf der Oberfläche der Mikro-Nano-Doppelstruktur abgeschieden ist.Porous medium with increased hydrophobicity, the porous medium comprising a micro-nano-double structure in which nanometer-sized protrusions or collapsed pores are formed on the surface of the porous medium having a surface roughness in the micrometer range; and a hydrophobic thin layer is deposited on the surface of the micro-nano-double structure. Poröses Medium nach Anspruch 1, wobei das poröse Medium nur ein makroporöses Substrat oder sowohl ein makroporöses Substrat als auch eine auf das makroporöse Substrat aufgetragene mikroporöse Schicht umfasst.The porous medium of claim 1, wherein the porous medium comprises only a macroporous substrate or both a macroporous substrate and a microporous layer coated on the macroporous substrate. Poröses Medium nach Anspruch 2, wobei das makroporöse Substrat eine Mikro-Nano-Doppelstruktur umfasst, in der Nano-Vorsprünge oder Nanoporen mit einer Breite von 10 bis 30 Nanometern, einer Länge von 10 bis 200 Nanometern und einem Aspektverhältnis von 1 bis 7 auf der Oberfläche von Kohlenstofffasern mit einem Durchmesser von 5 bis 20 Mikrometern gebildet sind.A porous medium according to claim 2, wherein the macroporous substrate comprises a micro-nano-double structure in which nano-protrusions or nanopores with a width of 10 to 30 nanometers, a length of 10 to 200 nanometers and an aspect ratio of 1 to 7 on the Surface of carbon fibers are formed with a diameter of 5 to 20 microns. Poröses Medium nach Anspruch 1, wobei die Nano-Vorsprünge oder die Nanoporen eine Breite von 1 bis 100 Nanometern, eine Länge von 1 bis 1.000 Nanometern und ein Aspektverhältnis von 1 bis 10 aufweisen.The porous medium of claim 1, wherein the nano-protrusions or nanopores have a width of 1 to 100 nanometers, a length of 1 to 1,000 nanometers, and an aspect ratio of 1 to 10. Poröses Medium nach Anspruch 1, wobei die hydrophobe dünne Schicht eine dünne Kohlenwasserstoffschicht ist.The porous medium of claim 1, wherein the hydrophobic thin layer is a thin hydrocarbon layer. Poröses Medium nach Anspruch 5, wobei die hydrophobe dünne Schicht eine dünne Kohlenwasserstoffschicht, die Silizium und Sauerstoff enthält, oder eine dünne Kohlenwasserstoffschicht, die Fluor enthält, ist.The porous medium of claim 5, wherein the hydrophobic thin layer is a thin hydrocarbon layer containing silicon and oxygen, or a thin hydrocarbon layer containing fluorine. Poröses Medium nach Anspruch 1 oder 5, wobei die hydrophobe dünne Schicht eine Dicke von 0,1 bis 90 Nanometern besitzt.A porous medium according to claim 1 or 5, wherein the hydrophobic thin layer has a thickness of 0.1 to 90 nanometers. Poröses Medium nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche, auf der die hydrophobe dünne Schicht gebildet wurde, einen statischen Kontaktwinkel von 150° oder mehr aufweist.The porous medium according to claim 1, wherein the surface on which the hydrophobic thin layer has been formed has a static contact angle of 150 ° or more. Verfahren zum Herstellen eines porösen Mediums mit erhöhter Hydrophobizität, wobei das Verfahren umfasst: das Bereitstellen eines porösen Mediums mit einer Oberflächenrauigkeit im Mikrometerbereich; das Ausbilden einer Mikro-Nano-Doppelstruktur auf der Oberfläche des porösen Mediums durch Bilden nanometergroßer Vorsprünge oder kollabierter Poren mittels Plasmaätzen; und das Abscheiden einer hydrophoben dünnen Schicht auf der Oberfläche der Mikro-Nano-Doppelstruktur.A method of producing a porous medium having increased hydrophobicity, the method comprising: providing a porous medium having a surface roughness in the micrometer range; forming a micro-nano-double structure on the surface of the porous medium by forming nanometer-sized protrusions or collapsed pores by plasma etching; and depositing a hydrophobic thin layer on the surface of the micro-nano-double structure. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das poröse Medium nur ein makroporöses Substrat oder sowohl ein makroporöses Substrat als auch eine auf das makroporöse Substrat aufgetragene mikroporöse Schicht umfasst.The method of claim 9, wherein the porous medium comprises only a macroporous substrate or both a macroporous substrate and a microporous layer coated on the macroporous substrate. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Plasmaätzen auf beiden Seiten des porösen Mediums durchgeführt wird.The method of claim 10, wherein the plasma etching is performed on both sides of the porous medium. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Plasmaätzen eine plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung (PECVD) ist.The method of claim 9, wherein the plasma etching is a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). Verfahren nach Anspruch 12, wobei die PECVD unter Verwenden von O2, Ar, N2, He, CF4, HF, C2F6, CHF3 oder SiF4 durchgeführt wird.The method of claim 12, wherein the PECVD is performed using O 2 , Ar, N 2 , He, CF 4 , HF, C 2 F 6 , CHF 3 or SiF 4 . Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Größe und die Form der Nano-Vorsprünge oder der Nanoporen während des Plasmaätzens durch Einstellen wenigstens eines von der Bestrahlungsdauer mit Plasma, der Beschleunigungsspannung und des Ätzdrucks gesteuert werden.The method of claim 9, wherein the size and shape of the nano-protrusions or nano-pores during the plasma etching are controlled by adjusting at least one of the irradiation time with plasma, the accelerating voltage and the etching pressure. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Beschleunigungsspannung in einem Bereich von –100 Vb bis –1.000 Vb eingestellt wird und der Ätzdruck in einem Bereich von 1 Pa bis 10 Pa eingestellt wird.The method of claim 14, wherein the acceleration voltage is set in a range of -100 Vb to -1000 Vb, and the etching pressure is set in a range of 1 Pa to 10 Pa. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Plasmaätzen mittels Ionenstrahl, chemischer Dampfabscheidung aus Hybridplasma (HPCVD) oder atmosphärischem Plasma durchgeführt wird.The method of claim 9, wherein the plasma etching is performed by ion beam, chemical vapor deposition from hybrid plasma (HPCVD) or atmospheric plasma. Verfahren nach Anspruch 9, wobei zur Abscheidung der hydrophoben dünnen Schicht Hexamethyldisiloxangas verwendet wird. The method of claim 9, wherein hexamethyldisiloxane gas is used to deposit the hydrophobic thin film. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die hydrophobe dünne Schicht eine dünne Kohlenwasserstoffschicht, die Silizium und Sauerstoff enthält, oder eine dünne Kohlenwasserstoffschicht, die Fluor enthält, ist.The method of claim 9, wherein the hydrophobic thin layer is a thin hydrocarbon layer containing silicon and oxygen, or a thin hydrocarbon layer containing fluorine. Verfahren nach Anspruch 9 oder 18, wobei die hydrophobe dünne Schicht eine Dicke von 0,1 bis 90 Nanometern besitzt.A method according to claim 9 or 18, wherein the hydrophobic thin layer has a thickness of 0.1 to 90 nanometers. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Oberfläche, auf der die hydrophobe dünne Schicht gebildet wird, einen statischen Kontaktwinkel von 150° oder mehr aufweist.The method of claim 9, wherein the surface on which the hydrophobic thin film is formed has a static contact angle of 150 ° or more.
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